逆变电源设计.doc

等级:湖南工程学院课 程 设 计课程名称 电力电子技术 课题名称 逆变电源设计 专 业 电气工程 班 级 电气1005班 学 号 201001010527 姓 名 何俊伟 指导教师 蔡斌军 2013 年 7 月 4 日湖南工程学院课 程 设 计 任 务 书课程名称 电力电子技术 课 题 逆变电源设计 专业班级 电气工程1005 学生姓名 何俊伟 学 号 201001010527 指导老师 蔡斌军 审 批 任务书下达日期 2013年 6月 25 日任务完成日期 2013 年 7 月 4 日设计内容与设计要求设计内容：1理论设计：根据所学的理论知识，了解dcac电路的工作原理，设计整流电路的主电路和控制电路。2仿真实践：根据所设计的系统，利用仿真软件matlab建立模型，并对系统进行仿真，分析系统所得到的波形。3动手实践：在仿真所设计的系统的基础上，利用protel软件绘出原理图，结合具体所用元器件管脚数、外型尺寸、考虑散热和抗干扰等因素，设计pcb印刷电路板，复杂电路板通过外协完成，简单电路板可以让学生在实验室自制，最后在电力电子实验室完成系统电路的组装、调试，分析所得到的结果。设计要求：1完整的设计方案，计算过程。2设计说明书应规范。3实验结果应与仿真结果基本一致。4. 选题要求：每班可以选三组，每组2人，要求采用不同的pwm生成方法，如自然采样法、规则采样法、s函数实现等。主 要 设 计 条 件1、设计一逆变电源，输入为直流电压，输出三相电压正弦，相电压范围可以调节。2、提供试验和仿真条件。说 明 书 格 式1. 封面2. 课程设计任务书3. 目录4. 系统总体方案设计5. 系统硬件设计6. 软件设计（包括流程图）7. 系统的安装调试说明8、 总结 9、参考文献10、附录11、课程设计成绩评分表。 进 度 安 排第一周 星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:控制电路设计 星期五:控制电路设计；第二周 星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四:写设计报告，打印相关图纸；星期五:答辩及资料整理参 考 文 献1石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统校内，1999第1章概 述 电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电源技术属于电力电子技术的范畴。电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。 所谓逆变器，是指整流器的逆向变换装置。其作用是通过半导体功率开关器件（例如gto,gtr,功率mosfet 和igbt等）的开通和关断作用，把直流电能换成交流电能，它是一种电能变换装置逆变器。 电力逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。电力控制系统的可靠程度是电力系统和设备可靠、高效运行的保证，而电力控制系统必须具备安全可靠的控制电源。电力系统中为保证变电所的诸如后台机、分站rtu、通讯设备等能在交流电源停电后不间断工作，工程做法一般采用ups电源作为主要解决方案，但ups电源存在容量小、价格贵、故障率高、维护量大等不足，因此综合自动化变电所中可采用电力正弦波逆变电源(下面简称电力逆变器)来代替常规不间断ups电源。第2章 系统总体方案设计2.1 总体框架图： 输 入逆变电路升压电路 驱动电路滤波电路 调频电路spwm控制电路输出100v-220v 图2.12.2 局部电路常用逆变器按照逆变器的直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。逆变器通常作为二次电源使用，其输入脉动直流电流污染了直流电源，必然要影响到直流电源的其他用电设备。因此，为了使输入电流平稳化和谐波降低到允许值，必要设置输入滤波器。输入滤波器有双重功能，既能抑制从直流电源来的瞬变量，又能抑制逆变器对直流电源产生的瞬变量和噪音。所以设置了单级lc直流输入滤波器。逆变器的输出电压波形除了基波分量外还含有谐波分量。脉宽调制波虽然消除了低次谐波，但还含有高次谐波。所以必须设置输出滤波器。选用单级lc交流输出滤波器。2.3 控制电路方案2.3.1 pwm的工作原理pwm控制技术是通过控制电路按一定规律来控制开关管的通断,以得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形并使其逼近正弦电压波形。其方法有模拟方法和数字方法两种，其中模拟方法的电路比较复杂,且有温漂现象，会影响精度,降低系统的性能。数字方法则是按照不同的数字模型用计算机算出各切换点并将其存入内存,然后通过查表及必要的计算生成波，因此数字方法受内存影响较大,且与系统精度之间存在着矛盾。考虑到现实条件本课题选用模拟方法实现pwm控制。把正弦波波形分成n等份，就可以把正弦半波看成由n个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 n ，但是幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按照正弦规律变化。如果，把上述脉冲序列用同样的数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到所需的脉冲序列。这就是pwm波形。可以看出，各脉冲的宽度是按照正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，pwm波形和正弦半波是等效的。对于正弦波形的负半周，也可以用同样的方法得到pwm波形。像这种脉冲的宽度按照正弦规律变化而和正弦坡等效的pwm波形，也称为spwm（sinusoidal pwm）波形。在pwm波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时只要按照同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，pwm波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。按照计算结果控制电路中各个开关器件的通断，就可以得到所需要的pwm波形。但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值等变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制，得到所期望的pwm波形（如图2.2）所示。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这就符合pwm控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是spwm波形。这种情况使用最广，这里所介绍的pwm控制只要就是指spwm控制。当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效的pwm波形。图2.2 pwm波形2.3.2 总控制电路 逆变电源控制电路的核心是spwm发生器。逆变电源spwm电路的调制频率固定为50hz不变，我们这里用分立电路组成。（如图2.3）图2.3 总控制电路2.3.3 缓冲电路 为了将功率器件的热应力和电应力限制在安全工作区内，提高电路的可靠性，必须设置缓冲电路软化开关过程。合理的缓冲电路，不但降低了功率器件的浪涌电压du/dt和浪涌电流di/dt，而且还减低了器件的开关损耗和电磁干扰，避免了器件的二次击穿。功率开关的有损耗rcd缓冲电路如图2.4所示。图2.4缓冲电路由缓冲电阻rs、缓冲电容cs和阻尼二极管vds组成，工作原理为：当功率开关v关断后，漏感中的能量通过vds对cs充电，一直到cs端电压为uce-uvds；v导通时，cs经rs和v放电，能量主要被rs消耗。如果没有缓冲电路，漏感中的能量将全部由功率开关消耗，因此，缓冲电路减轻了功率开关的负担。2.3.4 dc/ac变换电路图2.52.4 主电路结构主电路图如图2.1所示，包括直流电压源输入、直流滤波环节、高频逆变电路、交流滤波环节、交流输出等部分。2.4.1 高频滤波和高频逆变电路图2.6第3章 系统硬件设计3.1 电子晶体管电力晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管，由于其功率非常大，所以，它又被称作为巨型晶体管，简称gtr。gtr是由三层半导体材料两个pn结组成的，三层半导体材料的结构形式可以是pnp，也可以是npn。大多数双极型功率晶体管是在重掺质的n+硅衬底上，用外延生长法在n+上生长一层n漂移层，然后在漂移层上扩散p基区，接着扩散n+发射区，因之称为三重扩散。基极与发射极在一个平面上做成叉指型以减少电流集中和提高器件电流处理能力。在逆变电路中，gtr都工作在共发射极状态，其输出特性曲线是指集电极电流ic和电压vce以及基极电流ib之间的关系。如图3.1。图3.1 输出特性曲线3.2 可关断晶体管可关断晶闸管gto（gate turn-off thyristor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。普通晶闸管（scr）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流ih，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。gto的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（gtr），只是工作频纺比gtr低。目前，gto已达到3000a、4500v的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。gto是一种pnpn四层结构的半导体器件，它的结构，等效电路图及图形符号示于图3.2中。图3.2 结构及等效电路图3.3 绝缘栅双级晶体管绝缘栅双极晶体管（insulate gate bipolar transistor）简称igbt，是一种新型的电力电子器件。它是mosfet与gtr的复合器件，因此，它既具有mosfet的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了gtr的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代gtr的理想开关器件。从1986年至今，尤其是近几年来igbt的发展很快，目前已被广泛应用于电视控制、中频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速低损耗的许多领域。现在已经被广泛应用的第三代igbt通态压降更低、开关速度更快；集成的智能型igbt功率模块使用更方便、体积更小、保护更可靠，并省去了驱动电路。从结构上可以看出，igbt相当于一个由mosfet驱动的厚基区gtr，其简化等效电路如图3.3所示，n沟道igbt的图形符号如图3.3所示。对于p沟道igbt，其图形符号中的箭头防线恰好相反。图中的电阻rdr是厚基区gtr基区内的扩展电阻。igbt是以gtr为主导元件，mosfet为驱动元件的达林顿结构。图示器件为n沟道igbt，mosfet为n沟道型，gtr为pnp型。图3.3 igbt沟道第4章 总图与调试4.1 仿真与调试直流电源参数设置：pwm波参数设置：mosfet参数设置：4.2 波形结果实验总结和心得体会 这一次为期两个星期的电力电子技术课程设计让我收益匪浅。它锻炼了我独立思考，自我学习的能力。同时它还磨练了我的耐心，让我不狂妄自大，能够静下心来安安静静学东西，这样使我将课堂上学到的东西得以运用。 这一次我分配到的课程设计任务是逆变电源。最开始一看，我觉得这个题目应该会很简单，因为书上有专门一章。我耐心的把那一章仔仔细细的看了一遍，当然也看了一些其他相关的章节。我觉得我就可以开始动手做了。但是有一句话真的没错，叫说来容易做来难，开始做了之后，我发现虽然看了书，但是碰到了各种困难，而且加上基础不牢，常常碰壁。最常出现的各种电路要混合起来设计，让我在查阅了多本教材才得以实现。 这次的课程设计告诉我，只有将理论和实践相结合才是真正的学到了知识。碰到不懂的问题要学会多自行查阅相关资料，提高自学能力。同时做事需要耐心，不能碰到一点困难就退缩。附录：参考文献：1 石玉 栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社， 1998 2王兆安 黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，20003浣喜明 姚为正电力电子技术高等教育出版社，20004莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，20005郑琼林耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，19966刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，19967刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19958刘星平电力电子技